天津大学研究团队在纳米酶环境催化领域取得新进展

注：文末有研究团队简介 及本文科研思路分析

纳米酶，作为一种具备酶学活性的纳米材料，因其具有高稳定性、可规模化制备、成本较低等特点，吸引了广泛的研究。漆酶是一种多铜氧化酶，可氧化降解酚类和芳香类化合物，应用于环境催化、造纸、食品、生物合成等众多领域。然而，由于漆酶活性中心及催化过程非常复杂，仿生构建具有漆酶活性的纳米酶一直是该领域的难点和挑战。

图1. 受漆酶活性中心结构启发构建CH-Cu纳米酶

受到漆酶催化活性中心结构的启发，天津大学化工学院齐崴教授（点击查看介绍）、环境学院黄仁亮副教授（点击查看介绍）课题组与英国赫尔大学化学与生物化学系Bernard P. Binks教授（点击查看介绍）合作，以漆酶活性中心的关键电子转移中间体（半胱氨酸-组氨酸二肽）为配体，通过水热法与铜离子形成金属有机纳米复合物（部分Cu²⁺被还原为Cu⁺），构建具备天然漆酶活性的纳米酶（CH-Cu，图1）。

与天然漆酶相比，CH-Cu纳米酶也同样具有广泛的底物适用性，可降解2,4-二氯苯酚（2,4-DP）、对氯苯酚等多种酚类污染物，且催化活性更高（图2）。

图2. CH-Cu纳米酶和天然漆酶催化降解酚类污染物效果对比

同时，CH-Cu纳米酶在酸、碱、高温及长时间储存条件下均可保持高稳定性，其稳定性明显优于天然漆酶（图3）。值得一提的是，高盐环境下CH-Cu纳米酶的活性反而进一步提高，这与污染物在纳米酶表面的吸附行为有关。

图3. CH-Cu纳米酶与天然漆酶在不同环境条件下的稳定性

此外，基于CH-Cu纳米酶的高催化活性，课题组还建立了一种智能手机快速定量检测肾上腺素的方法（图4）。

图4. 基于CH-Cu纳米酶的肾上腺素快速定量检测方法

研究人员以天然酶的活性中心成分（多肽、金属离子）为基元，通过氨基酸残基-金属离子的氧化还原和配位作用，重构天然漆酶的活性中心结构，获得高活性、高稳定性的纳米酶，为新型纳米酶的设计合成提供了一种新的思路。

相关工作已发表于Applied Catalysis B: Environmental。论文第一单位为天津大学，博士生王晶辉为论文第一作者，天津大学环境学院黄仁亮副教授、化工学院齐崴教授和英国赫尔大学Bernard P. Binks教授为论文共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金的资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Construction of a bioinspired laccase-mimicking nanozyme for the degradation and detection of phenolic pollutants

Jinghui Wang, Renliang Huang*, Wei Qi*, Rongxin Su, Bernard P. Binks*, Zhimin He

Appl. Catal. B Environ., 2019, 254, 452-462. DOI: 10.1016/j.apcatb.2019.05.012

导师介绍

黄仁亮

https://www.x-mol.com/groups/huang_renliang

齐崴

https://www.x-mol.com/university/faculty/63926

Bernard P. Binks

https://www.x-mol.com/university/faculty/37009

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们的研究兴趣是开发具备高催化活性的新型纳米酶。在研究漆酶的催化过程中，我们被漆酶复杂的催化中心结构、高效的催化机制所吸引，加之近些年，随着肽MOFs研究领域的突破，我们考虑如果将漆酶催化中心的关键肽段与铜离子结合，是否能得到具备漆酶活性的纳米酶。下一步，我们打算设计更加复杂的结构，来精确模拟漆酶的催化中心结构，并以此方法设计制备具有其他催化活性的纳米酶。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项工作最大的挑战是对于催化机理的研究，由于得到的纳米复合物不是真正意义上的MOFs，而且配体与金属离子不仅仅是配位作用，所以无法采用模拟计算的方法开展分析，只能通过设计大量实验和已解析的漆酶结构进行对比研究，做出合理推测。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：该纳米酶具备良好的稳定性和催化活性，可以应用于实际的环境催化体系。这项研究成果可以为相关纳米酶的设计提供一种新的思路，并有助于推动纳米酶在环境催化、生物检测等领域的应用。